Conceito de oscilação coerente entre fonões e magnões e microscopia magneto-óptica de resolução temporal. (a) Uma ilustração esquemática de fônons e magnons, (b) Uma ilustração esquemática de oscilação coerente entre fônons e magnons. (c) As curvas de dispersão de fônon e magnon em granada de ferro lutécio (LuIG). (d) Uma vista ampliada em torno de A na Fig. 1c. As curvas pretas representam a relação de dispersão de magnon-phonon polaron hibridizado, enquanto as curvas tracejadas em vermelho e azul representam a relação de dispersão de magnons puros e fônons acústicos transversais, respectivamente. (e) Configuração óptica para a microscopia magneto-óptica resolvida no tempo com o tempo de atraso estendido. A dinâmica de magnetização excitada é detectada através do ângulo de rotação de polarização do pulso de laser da sonda induzido pelo efeito magneto-óptico de Faraday na amostra. A detecção é realizada por uma câmera de dispositivo de carga acoplada (CCD). (f) Imagem magneto-óptica observada 3,5 ns após a irradiação do pulso da bomba sob o campo magnético externo B = 11,5 mT paralelo ao vetor de onda dos magnons excitados. g, Espectro do número de onda das imagens magneto-ópticas obtidas observadas 3,5 ns após a excitação (B = 11,5 mT). A inserção mostra uma visão ampliada. Crédito:Física das Comunicações (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
Duas ondas diferentes com a mesma frequência e comprimentos de onda podem ser acopladas, de modo que a amplitude alterna periodicamente entre as duas para formar um fenômeno conhecido como oscilação de batimento coerente. O processo pode ser observado frequentemente com um pêndulo acoplado e na escala cósmica como oscilações de neutrinos que ocorrem devido a flutuações entre diversos neutrinos. Os sólidos também podem manter várias excitações de ondas para contribuir com suas propriedades térmicas e eletromagnéticas.
Em um novo relatório agora publicado na
Nature Communications Physics , Tomosato Hioki e uma equipe de cientistas em pesquisa de materiais e física aplicada na Universidade de Tohoku e na Universidade de Tóquio, no Japão, descreveram batimentos coerentes observados entre diferentes espécies de excitação em um sólido, ou seja, fônons - energia mecânica vibracional quântica e magnons - um quasipartícula representando a excitação coletiva da estrutura de spin do elétron. A equipe usou microscopia magneto-óptica resolvida no tempo para mostrar como os magnons gerados em um composto desapareceram gradualmente ao serem transferidos para os fônons, para depois retornar à forma de magnons depois de um tempo. O período de oscilação foi consistente com o batimento magnon-phonon. Os cientistas prevêem que os resultados experimentais abrirão caminho para controlar coerentemente os sistemas magnon-phonon em sólidos.
Interações Phonon-magnon em granada de ferro lutécio Os fônons são ondas vibracionais de uma rede cristalina sólida responsável pela elasticidade e propriedades térmicas dos sólidos. Magnons ou ondas de spin são inversamente representativas de um movimento ondulado de magnetização, presente em ímãs responsáveis por suas propriedades magnéticas e térmicas. Essas duas partículas podem interagir dentro de sólidos por meio de acoplamentos magneto-elásticos e magneto-estáticos. A dinâmica das partículas é fornecida nas curvas de dispersão de cada sistema para mostrar a relação entre o número de onda e a frequência. Os cientistas registraram as curvas de dispersão de fônons e magnons acústicos transversais em um filme de um isolante típico, como a granada de ferro lutécio. Tais curvas de dispersão das partículas de fônon e magnon mantêm uma interseção em torno da qual um estado hibridizado de magnon-fônon pode ser formado. Os pesquisadores descobriram que esse estado exibe uma vida útil extremamente longa, muito maior do que os magnons puros devido à hibridização com fônons que mantêm uma vida longa.
Observação da oscilação coerente magnon-phonon. (a) Evolução temporal da parte real de F~k(t) em kx = kTA sob o campo magnético B = 11,5 mT paralelo a k, onde kTA se refere ao número de onda do ponto de interseção entre as relações de dispersão da acústica transversal (TA ) fônons e magnons. Triângulos vermelhos invertidos indicam t = 15 ns, 20 ns e 25 ns após a irradiação do pulso da bomba. (b) Um espectro de potência de frequência de F~k(t) em kx = kTA. Os círculos preenchidos em azul representam a intensidade do espectro obtida experimentalmente, enquanto a curva cinza representa a curva de ajuste. O triângulo vermelho invertido destaca os picos. Os erros dos dados são avaliados como um desvio padrão, que é menor que o gráfico de dados. (c) Curvas de dispersão calculadas teoricamente de magnon polarons em torno de kx = kTA e ky = 0, onde usamos a energia de anisotropia cristalina Kc = 73,0 [J ⋅ m−3], energia de anisotropia uniaxial Ku = −767,5 [J ⋅ m−3 ], magnetização de saturação Ms = 14,8 [kA ⋅ m−1], velocidade dos fônons LA vLA = 6,51 [km ⋅ s−1], velocidade dos fônons TA vTA = 3,06 [km ⋅ s−1] e constante de acoplamento magnon-phonon b2 = 1,8 × 105 [J ⋅ m−3]. As curvas sólidas pretas representam as curvas de dispersão de polarons de magnon, enquanto as curvas tracejadas azuis e vermelhas representam fônons e magnons TA puros, respectivamente. (d) Evolução temporal da parte real de F~k(t) em kx = kLA sob o campo magnético B = 11,5 mT paralelo a k, onde kLA se refere ao número de onda do ponto de interseção entre as relações de dispersão da acústica longitudinal (LA ) fônons e magnons. (e) Um espectro de potência de frequência de F~k(t) em kx = kLA. Os círculos preenchidos em preto representam a intensidade do espectro obtida experimentalmente, enquanto a curva cinza representa a curva de ajuste. Os erros dos dados são avaliados como um desvio padrão, que é menor que o gráfico de dados. (f) Curvas de dispersão calculadas teoricamente de magnon polarons em torno de kx = kLA. A linha cinza e a curva vermelha representam as curvas de dispersão dos fônons e magnons LA, respectivamente. (g) Evolução temporal da parte real de F~k(t) em kx = kTA sob o campo magnético B = 11,5 mT perpendicular a k. (h) Evolução temporal da parte real de F~k(t) em kx = kLA sob o campo magnético B = 11,5 mT perpendicular a k. (i), imagens magneto-ópticas obtidas em diferentes tempos de atraso. Crédito:Física das Comunicações (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
Os físicos confirmaram a vida útil prolongada da granada de ferro lutécio, ao medir a conversão de spin-calor, mesmo à temperatura ambiente. Os pesquisadores esperam observar simultaneamente uma superposição coerente que forma uma oscilação de batimento correspondente entre fônons e magnons. Neste trabalho, Hioki et al descreveram a observação de batimentos coerentes entre dois fônons e magnons dentro da granada de ferro lutécio. A equipe usou microscopia magneto-óptica resolvida no tempo e mediu a dinâmica de magnetização. Eles encontraram o batimento coerente de até dezenas de nanossegundos e confirmaram experimentalmente o forte acoplamento entre magnons e fônons no filme nu de granada de ferro lutécio, abreviado como LUIG.
A configuração experimental Hioki et al exploraram as oscilações de batimento em sólidos desenvolvendo o microscópio magneto-óptico resolvido no tempo. Durante os experimentos, eles usaram um filme fino de LUIG com espessura de 1,8 µm, com grandes efeitos magneto-ópticos e pequeno amortecimento de magnetização. A equipe animou a dinâmica de magnetização focando uma luz laser pulsada com comprimento de onda de 800 nm na amostra, que correspondia a quase metade da energia do bandgap do LUIG. A bomba excitava a onda de spin ou magnons via desmagnetização e expansão foto-induzidas. Os cientistas excitaram seletivamente o magnon perpendicularmente à linha vertical usando interferências Huygens-Fresnel. Depois disso, eles usaram outro pulso de luz fraco, conhecido como pulso de sonda na amostra com comprimento de onda de 630 nm, e mediram a distribuição espacial da rotação magneto-óptica de Faraday do pulso de sonda transmitido através da amostra por meio de uma câmera. A equipe resolveu a frequência do intervalo magnon-phonon na amostra durante os experimentos.
Número de onda e dependência de campo da oscilação coerente magnon-phonon. (a) Espectro de frequência Fk(ω) observado em B = 11,5 mT ao redor da interseção das curvas de dispersão de fônon de magnon e acústica transversal (TA). (b) Comparação entre o gap obtido experimentalmente entre o ramo superior e o ramo inferior do espectro em B = 11,5 mT e o cálculo teórico da frequência do gap. As barras de erro representam o desvio padrão. (c) Espectro de frequência Fk(ω) observado em B = 13,0 mT ao redor da interseção das curvas de dispersão de magnon e TA-phonon. (d) Comparação entre o gap obtido experimentalmente entre o ramo superior e o ramo inferior do espectro de frequência em B = 13,0 mT e o cálculo teórico da frequência do gap. Crédito:Física das Comunicações (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
Oscilações coerentes entre fônons e magnons A equipe obteve um ângulo de rotação de polarização após a irradiação do pulso da bomba, onde os padrões de onda verticais apareceram nas proximidades do foco do pulso da bomba para demonstrar a excitação do magnon do dispositivo. Eles confirmaram que a rotação de polarização se deve ao efeito magneto-óptico de Faraday. Os resultados mostraram o desenvolvimento de polarons de magnon na interseção das curvas de dispersão de magnons e fônons após irradiação por pulso de bomba. Hioki et al mediram diretamente os magnons puros por meio de microscopia para mostrar o sinal periodicamente oscilante em função do tempo com a frequência dos magnons.
Eles então mediram a rotação magneto-óptica de Faraday e mostraram o desaparecimento do sinal quando os magnons se transformaram em fônons. As oscilações observadas implicaram batimentos periódicos entre magnons e fônons no domínio do tempo. A equipe demonstrou ainda as oscilações de batimento coerentes no espaço real por meio da mudança oportuna no padrão de onda excitado pelo pulso da bomba. Eles discutiram os espectros de excitação de magnons e frequência de oscilação coerente, bem como a frequência angular na interseção entre as curvas de distribuição de magnon e fônon. Os resultados mostraram boa concordância com os cálculos teóricos.
Ajuste de parâmetros de oscilação coerente. (a) Evolução temporal obtida experimentalmente de |F~k(t)|2 em B = 11,5 mT. (b) Evolução temporal calculada da amplitude do magnon |a~k(t)|2. (c) Evolução temporal de |F~k(t)|2 em diferentes números de onda. As curvas cinza representam as curvas de ajuste de acordo com a Eq. (3) descrito no estudo. Os erros dos dados são avaliados como um desvio padrão, que é menor que o gráfico de dados. Crédito:Física das Comunicações (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
Cálculo numérico da intensidade de excitação do magnon. (a) Mapa de calor de G(r). σx e σy são definidos para realizar a excitação de onda plana do magnon polaron (σx = 40 nm, σy = 40 nm). (b) Evolução temporal da intensidade de excitação f(t). (c) Mapa de calor da intensidade do espectro calculado de acordo com a Eq. (ts = 1,5 ns, te = 1,6 ns, σt = 0,3 ns). A intensidade do espectro atinge o pico no cruzamento da dispersão entre o fônon acústico transversal (TA) e o magnon, reproduzindo os resultados experimentais. Crédito:Física das Comunicações (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00888-1
Perspectivas Desta forma, Tomosato Hioki e colegas mediram numericamente a evolução oportuna da amplitude do magnon calculando a transformada de Fourier da amplitude espectral do magnon. A equipe considerou a dinâmica acoplada entre fônons e magnons acústicos transversais relevantes para a oscilação observada. Para entender os resultados experimentais, Hioki et al creditaram a grande cooperatividade ao pequeno amortecimento magnético intrínseco e ao fator de alta qualidade dos fônons em cristais de granada. Os cientistas melhoraram ainda mais o acoplamento magnon-phonon no filme fabricando cristais fonônicos ou magnônicos do filme plano, para ajudar no controle de magnons em circuitos e dispositivos magnônicos. As oscilações coerentes magnon-phonon apresentadas fornecem uma plataforma para estudar a dinâmica de sistemas acoplados, para regular as propriedades magnéticas e elásticas em uma variedade de materiais magnéticos.
+ Explorar mais Observando magnon-polarons usando uma estrutura magnética nanopadronizada iluminada por pulsos de laser curtos
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